JP2007309656A - 焦電型赤外線ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】 焦電型赤外線センサからのセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う新規な構成の信号処理回路を有し、焦電型赤外線センサの起動時間が大幅に短縮され、しかも、適正なセンサ出力信号が安定して得られる焦電型赤外線ガス検知器を提供すること。
【解決手段】 焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路を具えた焦電型赤外線ガス検知器において、信号処理回路は、ブースト回路および増幅回路を有し、焦電型赤外線センサの起動時においては、増幅回路によるセンサ出力信号に対する増幅率が、安定したセンサ出力信号が得られる定常時における基準増幅率より小さい大きさに設定され、焦電型赤外線センサが起動されてから所定時間が経過した後、増幅率が基準増幅率に変更される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、焦電型赤外線ガス検知器に関する。

例えば、焦電型赤外線ガス検知器のある種のものは、例えば筒状のチャンバーの一端側の開口に一定の周期で点滅する赤外線光源が配置されると共に、チャンバーの他端側の開口に焦電型赤外線センサが赤外線光源と対向配置されてなるガス検知部を具えており、例えば図６に示すような信号処理回路５５によって、焦電型赤外線センサ５０から出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理が行われて出力される。

センサ出力信号に対する信号処理について具体的に説明すると、先ず、赤外線光源５３から放射される赤外線が周期的（断続的）に焦電素子５１に供給されることにより持続的な電流信号が得られ、この電流信号は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）５２によるインピーダンス変換によって電圧信号として出力される。
この焦電型赤外線センサ５０から出力される電圧信号（センサ出力信号）は、電界効果型トランジスタ５２に起因する直流成分にこの直流成分に比して微弱な焦電素子５１からの交流成分が重畳されたものであり、この状態のまま出力するのであれば、ガス応答に係る信号成分（交流成分）を十分に高い信頼性をもって検出することができないことから、コンデンサＣと抵抗Ｒ３とが直列接続されてなるフィルタ回路５６によって、センサ出力信号における直流成分を除去し、その後、増幅器５７によって、設定されたゲインで増幅されて出力される。図６において、Ｒ１は内部抵抗、Ｒ２は受信抵抗である。

而して、このような構成の信号処理回路のフィルタ回路５６においては、ガス応答信号の信号幅が十分に信頼性の高い濃度検知を行う（Ｓ／Ｎ比を高くする）ために必要な大きさのものとなるよう、抵抗Ｒ３として比較的に抵抗値が高いものが用いられている。
しかしながら、このようなフィルタ回路５６においては、抵抗Ｒ３が抵抗値が高いものであるため、コンデンサＣの充・放電に長時間を要し、出力が安定化するまでに長時間を要する、すなわち起動時間が遅い、という問題がある。

このような問題に対して、焦電型赤外線センサの起動時における立ち上がり特性を改善するための回路を有する信号処理回路を具えたものなど、種々の構成の焦電型赤外線ガス検知器が提案されている（例えば特許文献１，特許文献２参照）。

特開平１０−２６７７５９号公報 特開平０９−１１９８６４号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行うための新規な構成の信号処理回路を有し、焦電型赤外線センサの起動時間を大幅に短縮することができ、しかも、適正なセンサ出力信号を安定して得ることのできる焦電型赤外線ガス検知器を提供することを目的とする。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器は、焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路を具えたものにおいて、
前記信号処理回路は、少なくともセンサ出力信号の信号レベルを昇圧するブースト回路およびセンサ出力信号を所定の増幅率で増幅して出力する増幅回路を有し、
焦電型赤外線センサの起動時においては、増幅回路によるセンサ出力信号に対する増幅率が、安定したセンサ出力信号が得られる定常時における基準増幅率より小さい大きさに設定され、焦電型赤外線センサが起動されてから所定時間が経過した後、増幅回路によるセンサ出力信号に対する増幅率が基準増幅率に変更されることを特徴とする。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器においては、焦電型赤外線センサが起動されてから１０〜３０秒間の時間の間、基準増幅率より小さい増幅率に設定されることが好ましい。

また、本発明の焦電型赤外線ガス検知器においては、センサ起動時における増幅率が定常時における基準増幅率の５０〜８０％の大きさに設定されることが好ましい。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器によれば、基本的には、焦電型赤外線センサの起動に伴って作動されるブースト回路によって焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号の信号レベルが急速に上昇されるので、センサ出力が安定するまでに要する時間、すなわち焦電型赤外線センサの起動時間を大幅に短縮することができ、しかも、センサ起動時においては、増幅回路による増幅率が定常時よりも小さい大きさに設定されていることにより、得られるセンサ出力信号をＳ／Ｎ比の高いものとするために、上記のようなセンサ立ち上がり特性の向上効果が十分に得られる範囲内でブースト回路が作動される時間（ブースト時間）を可及的に短く設定した場合であっても、センサ出力信号が測定可能な範囲（測定レンジ）を逸脱することを確実に防止することができ、従って、焦電型赤外線センサからの適正な信号を安定して得ることができる。

図１は、本発明の焦電型赤外線ガス検知器の一例における構成の概略を示す説明図、図２は、図１に示す焦電型赤外線ガス検知器の信号処理回路の一例を示すブロック図である。
この焦電型赤外線ガス検知器は、導入される被検ガスに含まれる検知対象ガスの濃度に応じたガス検知信号を出力するガス検知部１０と、焦電型赤外線ガス検知器における各構成部に適宜の動作指令信号を発すると共にガス検知部１０から出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路３０を含む制御部２０とを備えている。

ガス検知部１０は、被検ガスが導入される例えば筒状のガスセル１１と、このガスセル１１の一端側（図１において左端側）に設けられた赤外線光源１２と、ガスセル１１の他端側（図１において右端側）に赤外線光源１２と対向するよう設けられた例えば焦電型赤外線センサ（以下、単に「赤外線センサ」という。）１５とを有してなる。
ガスセル１１には、複数のガス流入出口１１Ａが互いに赤外線光源１２の光軸方向（図１において左右方向）に離間して並ぶよう形成されている。

赤外線光源１２は、例えば制御部２０における光源駆動回路２１によって、輝度が一定の周期で正弦波状に変化するように変調する状態で、点滅駆動される。

赤外線センサ１５は、焦電素子１６から出力される電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路１７を有し、この電流電圧変換回路１７は、焦電素子１６がゲートに接続された電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）１８と、焦電素子１６に並列に接続された内部抵抗Ｒ１と、電界効果型トランジスタ１８のソースとグラウンドとの間に介設された受信抵抗Ｒ２とにより構成されている。ここに、受信抵抗Ｒ２は、赤外線センサ１５の外部に接続された構成（外付け）とされていてもよい。

制御部２０は、赤外線センサ１５からのセンサ出力信号に対して後述する信号処理を行う信号処理回路３０と、この信号処理回路３０を介して入力されるセンサ出力信号をデジタル信号（Ａ／Ｄ値）に変換するＡ／Ｄ変換手段２２と、このＡ／Ｄ変換手段２２によって得られたデジタル信号に対して特定の信号処理を施して、例えば表示用の指示出力値を算出するマイコン２３とを有する。２４は、マイコン２３からのアナログ信号を光源駆動回路２１に対する動作指令信号としてのデジタル信号に変換するＤ／Ａ変換手段である。

信号処理回路３０は、赤外線センサ１５から出力されるセンサ出力信号における直流成分を除去するフィルタ回路３１と、直流成分が除去されたセンサ出力信号の信号レベルを所定の基準電位例えば２．５Ｖまで昇圧するブースト回路３５と、センサ出力信号を所定の増幅率（ゲイン）で増幅して出力する増幅器４０とを有する。
増幅器４０による、センサ出力信号に対する増幅率（ゲイン）の大きさは、マイコン２３によって調整可能とされており、後述するように、センサ出力信号が適正な大きさに制御された増幅率で増幅される。

フィルタ回路３１は、ハイパスフィルタ回路として機能するものであって、所定の静電容量を有するコンデンサＣと、このコンデンサＣの出力側に直列に接続された、比較的に抵抗値が高い抵抗（以下、「高抵抗」という。）Ｒ３およびこの高抵抗Ｒ３に比して抵抗値が十分に低い抵抗Ｒ４とを有する。

ブースト回路３５は、フィルタ回路３１における高抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４を介して直流バイアスをセンサ出力信号に印加する基準電圧電源３２と、フィルタ回路３１における高抵抗Ｒ３に対して並列に接続された、例えば電界効果型トランジスタ３６よりなるスイッチ素子と、この電界効果型トランジスタ３６のゲートＧに接続されたマイコン３７と、電界効果型トランジスタ３６のゲートＧとグラウンドとの間に介設されたプルダウン抵抗Ｒ５とを具えている。

電界効果型トランジスタ３６は、フィルタ回路３１をその時定数が互いに異なる状態間で切り換える機能を有する。
具体的には、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態（ブースト回路ＯＦＦ状態）にあるときには、フィルタ回路３１は、コンデンサＣと高抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４とにより構成されて時定数τ１が大きい状態とされ、一方、電界効果型トランジスタ３６が動作状態（ブースト回路ＯＮ状態）にあるときには、高抵抗Ｒ３が短絡されることにより、フィルタ回路３１がコンデンサＣと抵抗Ｒ４とによって構成されて時定数τ２が小さい状態とされる。

電界効果型トランジスタ３６が動作状態とされた状態におけるフィルタ回路３１の時定数τ２は、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態とされた状態におけるフィルタ回路３１の時定数τ１の２０％以下となる状態に設定されていることが好ましい。これにより、センサ出力信号の信号レベルを急速に上昇させることができ、十分に高い応答性を得ること、換言すればセンサ起動時間の短縮化（高速化）を図ることができる。

上記構成の焦電型赤外線ガス検知器において、信号処理回路３０、特にフィルタ回路３１を設計するに際しては、例えばコンデンサＣおよび高抵抗Ｒ３は、ブースト回路ＯＦＦ状態において十分な大きさの信号幅を有するセンサ出力信号が得られるよう選定されさえすれば、特に制限されるものではなく、また、抵抗Ｒ４は、コンデンサＣの静電容量の大きさとの関係において、ブースト回路ＯＮ状態におけるフィルタ回路３１の時定数τ２が所定の大きさとなるよう選定されさえすれば、特に制限されるものではない。

以下、上記構成の焦電型赤外線ガス検知器の動作について説明する。
赤外線光源１２を所定の周期、例えば０．５ｓｅｃで点滅駆動させると、この赤外線光源１２より放射される赤外線が周期的（断続的）に焦電素子１６に供給されることにより持続的な電流信号が得られる。
この焦電素子１６から出力される電流信号は、内部抵抗Ｒ１により電圧信号に変換されて、電界効果型トランジスタ１８のゲートに印加されることにより、電界効果型トランジスタ１８のソースからドレインに向けてドレイン電流が流れ、これにより、ソース電圧が受信抵抗Ｒ２に発生し、このソース電圧がセンサ出力信号として出力される。赤外線センサ１５から出力されるセンサ出力信号は、上述したように、ガスセル１１に導入されている被検ガス中の検知対象ガスの濃度に応じた波高値を有する、直流成分に交流成分が重畳されたものであり、フィルタ回路３１によって直流成分が除去される。

一方、上記焦電型赤外線ガス検知器の信号処理回路においては、基準電圧電源３２から所定の大きさの電圧がセンサ出力信号に印加されており、ブースト回路３５を構成する電界効果型トランジスタ３６がＯＮ−ＯＦＦ制御されて赤外線センサ１５の起動直後におけるフィルタ回路３１の時定数が適正な状態に制御された状態で、センサ出力信号の信号レベルが所定の基準電位Ｖｒに達するようブースト（昇圧）される。
具体的に説明すると、赤外線センサ１５の起動直後においては、マイコン３７からのブースト信号（ゲート電圧）が電界効果型トランジスタ３６のゲートＧに印加されることにより、電界効果型トランジスタ３６のソースＳからドレインＤに向かって電流が流れる状態、すなわち電界効果型トランジスタ３６がＯＮ状態（導通状態）とされ、高抵抗Ｒ３が短絡される。この状態においては、抵抗Ｒ４の抵抗値が小さいことから、コンデンサＣの充・放電が速やかに行われてセンサ出力信号の信号レベルが急速に昇圧される。
そして、赤外線センサ１５が起動されてから所定時間が経過した後に、ブースト回路３５における電界効果型トランジスタ３６に対するゲート電圧の印加が停止されて、フィルタ回路３１がその時定数が大きい状態となるよう切り換えられる。この状態においては、高抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４との合成抵抗とが十分に大きいことから、得られるセンサ出力信号は十分な信号幅を有するものとなる。

その後、フィルタ回路３１によって直流成分が除去されたセンサ出力信号が増幅器４０によって増幅されて出力されるが、上記焦電型赤外線ガス検知器においては、センサ起動時においては、信号処理回路３０を構成する増幅器４０による、センサ出力信号に対する増幅率が、安定した出力が得られる定常時において設定される基準増幅率（Ａ）より小さい大きさに設定され、センサが起動されてから所定時間が経過した後、基準増幅率（Ａ）に切り換えられる。
センサ起動時における増幅率（以下、「初期増幅率（Ｂ）」という。）は、定常時において設定される基準増幅率（Ａ）の５０〜８０％の大きさの範囲内、換言すれば、初期増幅率（Ｂ）の基準増幅率（Ａ）に対する比率（Ｂ／Ａ）が０．５〜０．８である大きさの範囲内で設定されることが好ましい。このような範囲内で設定されることにより、センサ出力信号が測定可能な範囲（測定レンジ）を逸脱することを確実に防止することができ、適正な信号を安定して得ることができる。
また、焦電型赤外線センサが起動されてから増幅率の大きさが切り換えるまでの時間、すなわち初期増幅率に設定される時間は、例えば１０〜３０秒間の時間の間で設定されることが好ましい。

赤外線センサ１５が起動されてから所定時間の間の時間が経過するまでに出力されるセンサ出力信号、すなわち初期増幅率で増幅されたセンサ出力信号については、Ａ／Ｄ変換手段２２によってデジタル信号（Ａ／Ｄ値）に変換された後、得られたＡ／Ｄ値が、初期増幅率（Ｂ）の基準増幅率（Ａ）に対する比率（Ｂ／Ａ）で除されることにより、基準増幅率（Ａ）によるセンサ出力信号に相当するものに換算され、これにより得られたデジタル信号に対して特定の信号処理を施して、例えば表示用の指示出力値が算出される。
一方、基準増幅率で増幅されて出力されるセンサ出力信号については、Ａ／Ｄ変換手段２２によってデジタル信号（Ａ／Ｄ値）に変換され、これにより得られたデジタル信号に対して特定の信号処理を施して、例えば表示用の指示出力値が算出される。

以上のような焦電型赤外線ガス検知器における信号処理回路３０においては、センサ出力信号を測定可能な範囲内で確実に取得するためには、ブースト時間が長く設定されることが好ましい。一方、センサ起動時間の短縮化を図るためには、ブースト時間が短く設定されることが好ましいが、ブースト時間を短くしすぎた場合には、センサ出力信号が測定可能範囲から外れてしまうこととなる。

然るに、センサ起動時において増幅器４０によるセンサ出力信号に対する増幅率が、定常時における基準増幅率よりも小さい大きさの初期増幅率に設定されることにより、上記構成の焦電型赤外線ガス検知器によれば、赤外線センサ１５の起動に伴って作動されるブースト回路３５によって赤外線センサ１５から出力されるセンサ出力信号の信号レベルが急速に上昇されるので、センサ出力が安定するまでに要する時間、すなわち赤外線センサ１５の起動時間を大幅に短縮することができ、しかも、上記のようなセンサ立ち上がり特性の向上効果が十分に得られる範囲内でブースト回路３５が作動される時間（ブースト時間）を可及的に短く設定することができ、得られるセンサ出力信号をＳ／Ｎ比の高いものとすることができると共に、ブースト時間を可及的に短く設定した場合であっても、センサ出力信号が測定可能な範囲（測定レンジ）を逸脱することを確実に防止することができ、従って、赤外線センサ１５からの適正な信号を安定して得ることができる。

すなわち、上記効果を確認するために行った実験例に基づいて説明すると、図２に示す構成に従って、以下に示す構成の信号処理回路を構成し、下記動作条件に設定して動作させたところ、図３に示す出力波形が得られた。
この結果から明らかなように、図６に示す構成に従って構成したブースト回路を有さない信号処理回路を備えたものであれば、図４に示すように、赤外線センサが起動されてから安定したセンサ出力信号が得られるまでに要する時間であるセンサ起動時間が４４秒程度必要であるのに対して、本発明に係る信号処理回路を備えたものによれば、センサ起動時間を５秒間程度に大幅に短縮することができ、センサ立ち上がり特性を十分に向上させることができることが確認された。
得られるセンサ出力信号の振幅の大きさが一定の大きさとなって、信号が測定可能範囲内から逸脱しない状態となった場合に、センサ出力が安定したものとし、赤外線センサが起動されてからこの状態に至るまでに要する時間をセンサ起動時間として評価した。

また、センサ出力信号を一定の増幅率（基準増幅率）で増幅する信号処理回路を備えたものであれば、図５に示すように、ブースト回路がＯＦＦ状態とされることに伴ってセンサ出力信号が不安定な状態になった場合に、出力電圧が０Ｖ以下となって適正な信号が得られなくなることがあるが、本発明に係る信号処理回路を備えたものによれば、センサ出力信号が不安定な状態になった場合であっても、センサ出力信号が測定可能な範囲（０〜５Ｖ）を逸脱することがなく、適正な信号を安定して得ることができることが確認された。
ここに、センサ出力信号を一定の増幅率で増幅する信号処理回路を備えたものにおいては、センサ出力信号を測定可能な範囲（０〜５Ｖ）で取得するためには、ブースト時間を５秒以上に設定することが必要であり、赤外線センサが起動されてからブースト回路をＯＦＦ状態とするまでの間に得られるセンサ出力信号はＳ／Ｎ比が低いものであり、十分な信頼性を得ることが困難であることが確認された。
なお、図３乃至図５において、（イ）は赤外線センサの起動された時点、（ロ）はブースト回路が停止された時点、（ハ）は増幅器による増幅率が変更された時点、（ニ）は安定したセンサ出力信号が得られるようになった時点を示す。

〔信号処理回路の構成〕
フィルタ回路を構成するコンデンサＣの静電容量が２２μＦ、高抵抗Ｒ３の抵抗値が２００ｋΩ、抵抗Ｒ４の抵抗値が１ｋΩであり、電界効果型トランジスタ３６が非動作状態とされた状態における時定数τ１が４．４秒、電界効果型トランジスタ３６が動作状態とされた状態における時定数τ２が０．０２秒である。
ブースト回路における基準電圧電源により印加される基準電圧（Ｖｒ）を２．５Ｖとした。
〔動作条件〕
ブースト回路が作動される時間（ブースト時間）を赤外線センサが起動されてから２秒間の間の時間に設定した。
増幅器による初期増幅率（Ａ）を基準増幅率（Ｂ）の６０％の大きさに設定し、初期増幅率（Ａ）に設定される時間を、赤外線センサが起動されてから２０秒間の時間の間に設定した。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、初期増幅率の大きさおよびブースト時間等は、得られるセンサ出力信号が測定可能な範囲を超えないレベルで適宜に設定することができる。
また、増幅器による増幅率の大きさが、赤外線センサが起動されてから所定時間毎に段階的に変更されるよう設定されていてもよい。
さらに、ブースト回路を構成するスイッチ素子は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）に限定されるものではなく、例えばバイポーラトランジスタ、アナログスイッチ、メカニカルリレーなどを用いることができる。

本発明の焦電型赤外線ガス検知器の一例における構成の概略を示す説明図である。 図１に示す焦電型赤外線ガス検知器における信号処理回路の一例を示すブロック図である。 図２に示す信号処理回路を備えた、本発明の焦電型赤外線ガス検知器において得られるセンサ出力信号の出力波形を示すグラフである。 ブースト回路を有さない信号処理回路を備えた焦電型赤外線ガス検知器において得られるセンサ出力信号の出力波形を示すグラフである。 増幅器による増幅率が一定に設定されている場合の、焦電型赤外線ガス検知器において得られるセンサ出力信号の出力波形を示すグラフである。 従来の焦電型赤外線ガス検知器における信号処理回路の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ ガス検知部
１１ ガスセル
１１Ａ ガス流入出口
１２ 赤外線光源
１５ 焦電型赤外線センサ
１６ 焦電素子
１７ 電流電圧変換回路
１８ 電界効果型トランジスタ
２０ 制御部
２１ 光源駆動回路
２２ Ａ／Ｄ変換手段
２３ マイコン
２４ Ｄ／Ａ変換手段
３０ 信号処理回路
３１ フィルタ回路
３２ 基準電圧電源
３５ ブースト回路
３６ 電界効果型トランジスタ
３７ マイコン
４０ 増幅器
Ｇ ゲート
Ｓ ソース
Ｄ ドレイン
Ｃ コンデンサ
Ｒ１ 内部抵抗
Ｒ２ 受信抵抗
Ｒ３、Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ プルダウン抵抗
５０ 焦電型赤外線センサ
５１ 焦電素子
５２ 電界効果型トランジスタ
５３ 赤外線光源
５５ 信号処理回路
５６ フィルタ回路
５７ 増幅器

Claims (3)

1. 焦電型赤外線センサから出力されるセンサ出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路を具えたものにおいて、
   前記信号処理回路は、少なくともセンサ出力信号の信号レベルを昇圧するブースト回路およびセンサ出力信号を所定の増幅率で増幅して出力する増幅回路を有し、
   焦電型赤外線センサの起動時においては、増幅回路によるセンサ出力信号に対する増幅率が、安定したセンサ出力信号が得られる定常時における基準増幅率より小さい大きさに設定され、焦電型赤外線センサが起動されてから所定時間が経過した後、増幅回路によるセンサ出力信号に対する増幅率が基準増幅率に変更されることを特徴とする焦電型赤外線ガス検知器。
2. 焦電型赤外線センサが起動されてから１０〜３０秒間の時間の間、基準増幅率より小さい増幅率に設定されることを特徴とする請求項１に記載の焦電型赤外線ガス検知器。
3. センサ起動時における増幅率が定常時における基準増幅率の５０〜８０％の大きさであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の焦電型赤外線ガス検知器。